現(xiàn)代遺傳育種技術(shù)在農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中的應(yīng)用

王若倫，李 龍，桑玉強(qiáng)

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河南 鄭州 450000)

農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)在改善耕地水土流失、生態(tài)破壞，提高農(nóng)田單位面積產(chǎn)量上逐步受到專家學(xué)者的重視，但復(fù)合系統(tǒng)自身存在的問題也成為阻礙農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)一步推廣應(yīng)用的障礙。近年來，遺傳育種技術(shù)的發(fā)展改變了植株遺傳性狀，增強(qiáng)了植株抗逆性和適應(yīng)性，培育了大批優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源。分子標(biāo)記、基因工程等現(xiàn)代育種技術(shù)在農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中的應(yīng)用和發(fā)展對(duì)農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)發(fā)揮著重要作用。

1 農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)種間關(guān)系問題

我國傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是建立在林木大量砍伐、生態(tài)環(huán)境惡化基礎(chǔ)上的自給自足的單作生產(chǎn)模式，該模式不僅帶來生態(tài)環(huán)境的惡化，且不能充分利用時(shí)空環(huán)境，造成地力衰退、水土流失、光環(huán)境資源浪費(fèi)等問題，坡耕地尤為顯著。農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)的研究和推行，不僅提高森林覆蓋率，提高農(nóng)田綜合生產(chǎn)力，而且復(fù)合農(nóng)林系統(tǒng)穩(wěn)定性高于單作系統(tǒng)，對(duì)不良環(huán)境的抗逆性增強(qiáng)。雖然農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)有諸多優(yōu)點(diǎn)，但物質(zhì)能量是動(dòng)態(tài)平衡的，對(duì)空間環(huán)境利用得越充分，相應(yīng)地所需的水肥和光等資源也隨之增多，在激烈的養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下，植物自身積累的有機(jī)物相應(yīng)減少，從而影響植物產(chǎn)量。在復(fù)合模式中林木樹干和冠幅的生長會(huì)對(duì)林下作物形成遮陰環(huán)境，影響林下作物凈光合速率，減少作物收獲指數(shù)，降低作物產(chǎn)量。

1.1 農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中林木選育中存在的問題

1.1.1林木品種選育周期長

間作系統(tǒng)中資源競(jìng)爭(zhēng)激烈，對(duì)林木自身的抗逆性和適應(yīng)性要求較高，不同地形地質(zhì)環(huán)境的變化對(duì)林木自身的要求也不盡相同，要實(shí)現(xiàn)復(fù)合模式的穩(wěn)定發(fā)展，分析林木基因遺傳多樣性，改良林木品種勢(shì)在必行。但林木培育周期長，遺傳性狀復(fù)雜多樣，培育效果往往歷經(jīng)數(shù)十載才會(huì)顯現(xiàn)，這也成為目前制約農(nóng)林復(fù)合模式進(jìn)一步發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素。此外，培育的新品種繁衍能力在培育初期也無法顯現(xiàn)出來。正是因?yàn)榱帜旧L的長周期性，對(duì)種間物質(zhì)能量的動(dòng)態(tài)流動(dòng)以及種間相互影響程度的研究較少，導(dǎo)致農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)種間物質(zhì)變化和能量流動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化方面的研究報(bào)道更是少見。復(fù)合系統(tǒng)種間動(dòng)態(tài)變化體系的缺失，嚴(yán)重限制了農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)模式的發(fā)展。

1.1.2農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)環(huán)境因子變化影響林木生長

農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中林木與林下作物對(duì)資源的競(jìng)爭(zhēng)加劇，林木根系根長密度較單作大量減少，對(duì)養(yǎng)分的吸收能力相應(yīng)減弱，影響林木的結(jié)實(shí)量。為給林下作物提供更多的光因子，必須限制林木高生長和冠幅的擴(kuò)大，一方面影響林木的光合速率，從而影響植物自身有機(jī)質(zhì)的形成和碳速率的轉(zhuǎn)化；另一方面影響林木的留枝量和留果量，從而影響林木果實(shí)產(chǎn)量。

1.2 核桃冠幅影響林下作物光合效應(yīng)

研究表明，林冠下光輻射量受樹形和冠層結(jié)構(gòu)的影響較大[1]，隨著種植年限的增加，核桃樹冠幅和樹高隨之增大，林下透光率隨之減小，對(duì)林下農(nóng)作物的遮陰更加顯著，影響林下作物的光合性能，降低林下作物凈光合速率，影響林下作物葉面積指數(shù)[2]，最終影響林下作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。

1.3 與林下作物爭(zhēng)奪資源，林下生物量減少

1.3.1影響林下作物株高生長

植物莖稈具有支撐地上各部分器官、均勻分布葉片、貯藏和傳輸營養(yǎng)物質(zhì)等功能，對(duì)小麥高產(chǎn)、抗倒伏具有重要作用。在農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中，生物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性使林木細(xì)根分布區(qū)域下移，作物細(xì)根根系上移，且因生長周期的差異性，在一定程度上減緩了對(duì)資源的競(jìng)爭(zhēng)，但林木根系和林下作物根系生長對(duì)水分、養(yǎng)分的總需求也相對(duì)增加，影響了作物生長對(duì)水肥等因子的需求。此外，光因素的減少，凈光合速率減弱，一定程度上會(huì)影響林下作物株高生長。

小麥品種的適當(dāng)矮化，使得植株具有抗倒伏特性，同時(shí)植株適當(dāng)矮化可削弱部分莖葉的生長，在有限的環(huán)境資源條件下為籽粒的生長提供優(yōu)越條件，從而提高作物產(chǎn)量[3]。但若過度矮化，小麥節(jié)間空間環(huán)境縮短，易造成葉片重疊、葉片長度降低，葉片可接受的光因子不充分，光合活性和凈光合速率減弱，植株葉面積指數(shù)減小[4]，從而影響作物產(chǎn)量。

1.3.2林下作物減產(chǎn)

在農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中，隨著林木高生長和冠幅生長的持續(xù)，林下光環(huán)境資源受限，農(nóng)作物凈光合速率降低，葉面積指數(shù)減少，從而影響物質(zhì)積累和籽粒的飽實(shí)度；林木根系生長對(duì)水肥資源空間需求量增加，在一定程度上會(huì)占據(jù)林下作物對(duì)營養(yǎng)的需求，造成農(nóng)作物生物量減少，收獲指數(shù)降低，影響小麥的品質(zhì)和產(chǎn)量，造成林下作物減產(chǎn)。

2 遺傳育種技術(shù)概述

農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中林木和林下作物資源競(jìng)爭(zhēng)激烈，在有限的空間和環(huán)境條件下，林果產(chǎn)量和農(nóng)作物產(chǎn)量下降，這也成為阻礙我國農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)研究進(jìn)展的關(guān)鍵問題之一。良種是現(xiàn)代林業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，是提高植株產(chǎn)量的關(guān)鍵因素[5]。基因工程、分子標(biāo)記技術(shù)的誕生，遺傳圖譜的構(gòu)建，基因序列的遺傳多樣性及其差異更直觀地表現(xiàn)出來，為探索種間遺傳親本親和性，培育優(yōu)質(zhì)品種[6]，縮短育種周期做出了突出貢獻(xiàn)。

2.1 分子標(biāo)記技術(shù)

目前主要有2種類型的分子標(biāo)記技術(shù)。第一種是結(jié)合PCR技術(shù)，以核苷酸序列差異為基礎(chǔ)的DNA分子標(biāo)記技術(shù)，分析基因性狀遺傳多樣性，構(gòu)建遺傳圖譜，進(jìn)行品質(zhì)鑒定，并通過雜交、嫁接等手段培育新品種。分子標(biāo)記的主要類型有：限制性片段多態(tài)性(RFLP)技術(shù)、隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性(RAPD)標(biāo)記技術(shù)、擴(kuò)增片段長度多態(tài)性(AFLP)標(biāo)記技術(shù)、簡(jiǎn)單重復(fù)序列(SSR)標(biāo)記技術(shù)、簡(jiǎn)單重復(fù)序列擴(kuò)增(ISSR)標(biāo)記技術(shù)等[7]。第二種分子標(biāo)記技術(shù)不再以DNA片段的長度變化作為檢測(cè)手段，而是以標(biāo)記單核苷酸多態(tài)性(SNP)為標(biāo)記手段的標(biāo)記方法。SNP標(biāo)記手段具備第一、二代分子標(biāo)記技術(shù)所不具備的高目睹、遺傳穩(wěn)定性、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 輻射育種技術(shù)

輻射育種是人工利用各種物理誘變因子，刺激植物產(chǎn)生穩(wěn)定遺傳的技術(shù)。植株二倍體花粉對(duì)不同輻射強(qiáng)度的60Coy射線反應(yīng)比單倍體花粉更敏感，因此，可用60Coy射線控制花粉萌發(fā)比例，60Coy射線在刺激二倍體花粉萌發(fā)時(shí)會(huì)抑制單倍體花粉萌發(fā)，從而提高二倍體花粉在參與受精過程中的比例。

2.3 基因工程

基因工程技術(shù)目前已發(fā)展到了可以有效地引入和表達(dá)理想基因性狀的程度[8]，主要用于改良植物生物脅迫耐受性、改良木材材質(zhì)、根系形成等問題。轉(zhuǎn)基因技術(shù)是林木和作物增產(chǎn)快速有效的方法，雖然目前轉(zhuǎn)基因食品的安全性受到質(zhì)疑，但轉(zhuǎn)基因技術(shù)的發(fā)展并不會(huì)因此停滯，隨著科技水平的提高，轉(zhuǎn)基因的危害也會(huì)隨之降低。

使用全基因組關(guān)聯(lián)分析法[9]尋找某種基因變異與表型之間的關(guān)系，通過分析變異的基因組片段來控制表型，用于控制林木高生長、冠層生長幅度、林下植株高生長等形態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)農(nóng)林復(fù)合模式優(yōu)化配置。這種方法也是首次使用下一代基因表達(dá)圖譜來量化分離樹種的轉(zhuǎn)錄豐度，并確定影響木材形狀變化的潛在候選基因。在今后的林木育種工作中要充分利用我國豐富的林木種質(zhì)資源,深入開展林木專用優(yōu)良品種的選育研究,充分發(fā)掘部分地區(qū)的特色資源[10]。

3 遺傳育種技術(shù)在農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中的作用

我國國土資源種類豐富、地域遼闊，區(qū)域農(nóng)田環(huán)境條件存在較大差異性，農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中對(duì)林木主干與冠幅，林下作物抗逆性均有不同程度的要求；而且農(nóng)林復(fù)合模式因生物量增加對(duì)養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)加劇，造成林木和林下作物減產(chǎn)。育種技術(shù)尤其是分子育種技術(shù)的改良和應(yīng)用，林木的矮干、小冠，林下作物的株高、抗陰性均能通過技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)性狀的控制，為培育精確化抗性性狀的良種提供支持。

3.1 遺傳育種對(duì)農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中林木的作用

3.1.1分子標(biāo)記縮短育種周期對(duì)農(nóng)林復(fù)合的意義

采用分子標(biāo)記技術(shù)不僅可以測(cè)定林木品種特性，大大縮短培育林木所耗費(fèi)的周期，而且可以通過基因的重組和調(diào)控，培育出適宜不同林地的優(yōu)質(zhì)林木，提高林木對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性和抗逆性。分子標(biāo)記手段通過對(duì)林木遺傳信息的獲取、分析，找出具有種間親緣關(guān)系的基因片段，通過雜交等手段培育新型品種，彌補(bǔ)了形態(tài)學(xué)鑒定的不足。分子技術(shù)能快捷、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地反映林木遺傳特性，有利于配置農(nóng)林復(fù)合結(jié)構(gòu)時(shí)充分考慮林木與林下作物的生理生態(tài)學(xué)特性，減少種間競(jìng)爭(zhēng)和迫害，實(shí)現(xiàn)種間關(guān)系的互利共生。

3.1.2分子標(biāo)記培育技術(shù)能接收高光合特性的砧木資源

光合作用是林木生長發(fā)育最為重要的環(huán)境因子，也是林木產(chǎn)量和品種形成的決定性因素，林木砧木的不同對(duì)光合特性的反映也會(huì)存在差異。使用SSR或RAPD分子標(biāo)記手段分析砧木的遺傳多樣性，通過雜交、嫁接等技術(shù)手段培育一批長勢(shì)旺盛、抗逆性良好的新型林木品種[11]。如中寧奇、中寧強(qiáng)和中寧異是可以提高林木接穗光合特性的砧木資源，提高林木光資源利用率，減緩因養(yǎng)分不足造成的減產(chǎn)[12]。由這些砧木資源嫁接的林木親和性好、整齊度高、果實(shí)質(zhì)量?jī)?yōu)。

3.2 生物技術(shù)限制林木高生長和冠幅長勢(shì)

3.2.1限制林木生長的技術(shù)手段

1)輻射育種技術(shù)

輻射育種技術(shù)通過選用優(yōu)質(zhì)無性系根系，利用各種物理誘變因子刺激植株，促進(jìn)苗木分化，使植株產(chǎn)生穩(wěn)定遺傳變異。利用無性生殖的方式保留林木有益基因，通過林木輻射誘變使林木基因產(chǎn)生大量突變，誘使林木實(shí)現(xiàn)矮干、高產(chǎn)的遺傳品質(zhì)。

2)基因工程技術(shù)

分子標(biāo)記技術(shù)構(gòu)建基因遺傳圖譜，分析不同品種分子間的差異性；基因工程是在分子水平上對(duì)控制不同性狀的外源基因按照實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行拼接或重組，構(gòu)建雜種DNA分子，改變植株原有的遺傳特性，獲得具有矮化基因的新品種的技術(shù)。分子標(biāo)記與基因工程相結(jié)合實(shí)現(xiàn)分子育種，這種育種技術(shù)在選取外源基因時(shí)能更準(zhǔn)確地找出控制林木生長的基因片段，提高目的基因培育成功的概率。利用具有調(diào)節(jié)生長特性的外源基因調(diào)節(jié)林木內(nèi)源激素平衡機(jī)制，改變林木生長性狀，使林木植株矮化，生長速度下降，葉片和胸徑變小。

3.2.2限制林木生長對(duì)農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)的意義

農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中林木高生長和冠幅的擴(kuò)大均會(huì)增加對(duì)林下作物的遮陰度，進(jìn)而因光資源的匱乏造成林下植株生物量的減少。生物技術(shù)在林木生長中的使用大大減緩了植株高生長和胸徑生長，有效地控制了林木遮陰范圍，有利于林下植物充分利用光能，提高凈光合速率，提高葉面積指數(shù)，防止因光合作用減弱帶來的大面積減產(chǎn)。研究表明，在修剪冠形時(shí)，只要保證合理范圍的留枝量和留果量，林木“Y”字形樹形或自然狀態(tài)下林木開心形對(duì)林木產(chǎn)量和品質(zhì)的影響并不顯著，因此，提高林下凈光合速率的關(guān)鍵在于林木樹干的高低以及林冠覆蓋的幅度[13]。

3.3 選育優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)林下作物

3.3.1調(diào)控林下作物高生長

土壤水分對(duì)不同小麥品種的影響主要表現(xiàn)在光合速率、小麥葉衰老特性和根系活力方面，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，各品種小麥土壤土層相對(duì)含水量補(bǔ)灌75%和65%(W4)時(shí)，葉片相對(duì)含水量和水勢(shì)最高，能實(shí)現(xiàn)最大化凈光合速率，小麥開花后的干物質(zhì)積累量最高，利于光合物質(zhì)的積累和轉(zhuǎn)運(yùn)，經(jīng)W4處理后，葉片SOD活性較高，葉膜質(zhì)過氧化氫水平較低，質(zhì)膜受損程度較低，利于延緩葉片衰老，保持較高的光合速率。因此，補(bǔ)灌W4處理是提高小麥產(chǎn)量的一種技術(shù)手段[14]。

但對(duì)水資源匱乏，水分灌溉無法達(dá)到W4水平的地區(qū)，只能選育抗旱性良好的品種，提高林下作物的抗逆性。研究表明，干旱脅迫在不同程度上會(huì)降低植株生長高度，從而影響小麥產(chǎn)量，農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中對(duì)水分的需求量更大，干旱脅迫使得作物葉片蜷縮、光合速率降低、生長緩慢、植株抗逆性減弱。加性和上位性是影響植物株高的主要遺傳因子，不同的水分環(huán)境對(duì)小麥株高影響存在差異，因此，可通過小麥抗性遺傳改良和分子遺傳標(biāo)記等手段選育抗旱性強(qiáng)的小麥品種，保持小麥最適宜的植株高度。

3.3.2培育新品種，提高林下植株產(chǎn)量

農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)一定程度上改變了時(shí)空環(huán)境水肥、光因子供應(yīng)，造成林下作物減產(chǎn)。通過分子標(biāo)記、基因克隆等技術(shù)手段對(duì)作物的基因片段進(jìn)行分析、重組，可培育出高品質(zhì)、高產(chǎn)量和強(qiáng)抗性的具有穩(wěn)定遺傳特性的優(yōu)良品種。新冬40號(hào)小麥[15]在不同樣地設(shè)置的實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)量表現(xiàn)最佳。SHW(人工合成六倍體小麥)衍生物品種非籽粒器官所占比例小于普通小麥，在前期干物質(zhì)積累速率上也明顯高于普通小麥[16]，因此，在籽粒生產(chǎn)率和收獲指數(shù)上顯著高于普通小麥，提高了小麥的抗逆性和高產(chǎn)能力。

4 討論與結(jié)論

農(nóng)林復(fù)合體系在保持水土、防風(fēng)固沙、調(diào)節(jié)局部小氣候、提高單位面積產(chǎn)量等方面發(fā)揮著重要作用，但在有限的資源環(huán)境條件下，生物量的增多勢(shì)必會(huì)帶來種間對(duì)水肥、光因素的競(jìng)爭(zhēng)。林木矮干小冠為林下作物生長擴(kuò)大了光環(huán)境空間，但同時(shí)也造成林木留枝量、留果量減少，相比林木單作帶來一定程度的減產(chǎn)。土壤根量的增加，固定了大量下滲水，同時(shí)也減少了地表徑流，減少農(nóng)田尤其是坡耕地農(nóng)田水土流失量；根量的增加雖在保持水土上有重要作用，但細(xì)根量的增加對(duì)水肥的競(jìng)爭(zhēng)也隨之加劇，加上光環(huán)境的限制，葉片凈光合速率降低、葉面積指數(shù)減小、收獲指數(shù)減小，相比單作產(chǎn)量也有所減少。

RAPD標(biāo)記和SSR標(biāo)記等分子標(biāo)記手段的誕生，通過構(gòu)建基因遺傳圖譜、聚類圖，分析基因遺傳多樣性，反應(yīng)個(gè)體間DNA水平的差異，用于鑒定個(gè)體品種和濃度，縮短了育種實(shí)驗(yàn)周期?；蚬こ谈鶕?jù)分子標(biāo)記構(gòu)建的遺傳圖譜，對(duì)不同性狀的基因按實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行DNA重組，改變生物體原有遺傳特性，培育出理想品種。降低樹干、減小冠幅以及SHW衍生物的高產(chǎn)性均是現(xiàn)代生物技術(shù)發(fā)展的成果，對(duì)農(nóng)林復(fù)合種間結(jié)構(gòu)配置合理、種間關(guān)系和諧、總產(chǎn)值實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)有重要作用。

分子標(biāo)記等手段建立種質(zhì)資源基因遺傳譜系，運(yùn)用基因工程技術(shù)重組DNA以培育新品種。目前的育種技術(shù)雖可以反應(yīng)DNA水平的差異，鑒定良種品種和濃度，但無法預(yù)測(cè)良種生長繁衍能力。DNA指紋法[17]對(duì)植物遺傳多樣性和種間親和性的靈敏度更高，能選擇具有高遺傳變異性和所需遺傳性狀的樹種，對(duì)良種培育的成功概率更大，同時(shí)配合微衛(wèi)星的使用，可用于預(yù)測(cè)良種的衍生能力。

現(xiàn)代遺傳育種技術(shù)的發(fā)展在降低林木主干、減小冠幅、提高林木光合速率和抗逆性以及提高林下作物抗陰性、抗旱性、調(diào)節(jié)小麥株高，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量上發(fā)揮著重要作用，只有穩(wěn)定的農(nóng)田系統(tǒng)，才能為進(jìn)一步研究農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化提供科學(xué)依據(jù)。